计算机网络（二）物理层

 

一.物理层的基本概念

物理层主要任务：确定传输媒体接口的一些特性：（为了统一规划，标准化，各个厂商生产一致，可以通用） 
机械特性：接口形状 大小 引线数目 网线内有几根线 
电气特性：例如规定电压范围 
功能特性：例如规定-5V表示0 +5V表示1（电压信号代表数字信号） 
过程特性：（规程特性）规定建立连接时各个部件的工作步骤

二.数据通信基础知识

2.1 数据通信模型

 

 

2.2 通信的本质

• 通信：通信的本质是传输信息，而数据就是这些信息的实体
• 类比：我从自己的pc端发送一天表白信息到学长的pc端，表白的数据就是data，而怎么传过去呢，假如学长在美国，那我不能让我俩pc连一根网线或用一个交换机吧，这时候就需要用到无线通讯，怎么做，在我的pc端，把我要发送的数据（中间还要转换为bit流）通过调制解调器转换为模拟信号，这下就可以通过公用电话网传输了，传到了那边再通过它的pc调制解调器转为数字比特流，再转为表白信息。
• 本质：就是 bit流转为可以无线传播的信号形式，从发送端发到接收端

2.3 相关术语

• 数据：运送消息的实体
• 信号：数据的电气或电磁形式表现，分为数字【离散】信号与模拟【连续】信号
• 码元：离散数值的基本波形就称为码元；可以代表1bit，比如1V高电平表示1，0V低电平表示0； 1码元也可以代表nbit信息，如果提前约定好1V代表110 ，2V代表101等等，如果约好8种码元值，每个码元就可以代表三位bit了
• 信道：与电路不同，一般用来表示向某一个方向传送信息的媒体，一条通信电路往往包含一条发送信道和一条接收信道
• 信噪比：信号功率和噪声功率的比值，

2.4 通信方式

• 单向通信【单工通信】
• 双向交替通信【半双工通信】
• 双相同时通信【全双工通信】
• 基带信号：来自信源的信号常称为基带信号，计算机输出的代表各种文字或图像文件的数据信号都属于基带信号。比如我编辑的表白消息。
• 而这些信号往往有较多低频成分，甚至直流成分，许多信道不能传输，所以这里引入一个新概念，调制

2.5 调制

2.5.1 基带调制

• 波形进行变换，使其能与信道特性相适应。把数字信号转换为另一种数字信号。我们常称之为编码。
• 比如12345本来用abcde表示，但是信道说不可以，只能接收大写形式的信号，然后我们就把12345换了一种方式，ABCDE，这样出来的新的信号与abcde是一种类型，所以仍然是基带信号。（2.5.2中变为了带通信号）
• 栗子：比如曼彻斯特编码方式产生的信号频率比不归零制高。
• 基带调制 常用编码方式：（分类有 单极性不归零码 双极性不归零码 单极性归零码 双极性归零码 )
• 归零码：一次信号结尾始终为0电压 不归零码：一次信号结尾不需要归零 
• 单极性：只有正向和0电压 双极性：有正负电压 
• 曼彻斯特编码：低电平跳高电平代表0 高电平条低电平代表1，可以代表没有数据传输（用电平变化代表数据传输） 
• 差分曼彻斯特编码：0和1没有固定高低电平，后面的信号是几取决于前面的信号 
• 

 

2.5.2 带通调制

• 使用载波进行调制，把基带信号的频率范围搬移到较高的频段，并转换为模拟信号，这样能更好的在模拟信道中传输。
• 经过调制后的信号叫 带通信号（只能在一段频率范围内通过信道）
• 比如一个函数只能接受（-1，1）的数据，这时候我们有一组数据比如5，6，7，那么我们就让它们全部减6，然后再放到那个函数里

 

• 

 

2.6 信道极限容量

2.6.1概述

• 信号波形在实际信道传输时，会受到带宽受限、噪声、干扰等引起失真。
• 两方面：
• 1，信道能够通过的频率范围，类比的想一哈，海豚?发出的超声波，人类听不到，因为人类听力能听到的频率是受限的。
• 2，信噪比 这很好理解，我说话的时候，你也在说话，第三方听我的话就会受到干扰。信噪比指信号的平均功率和噪声的平均功率之比，可以理解为我的声音越大，相比噪声越大，别人越容易听懂我在说什么。

2.6.2奈氏准则和香农公式

• 奈氏准则：在理想条件下，为了避免码间串扰（码元太短，无法识别高低电平），码元传输速率是有上限的 如果我说话太快，字与字之间会干扰，你会听不清单个字母。试试把你看视频的速度调成两倍速就明白了。
• 香农公式：C = Wlog2(1+S/N) b/s (log2是log以2为底) 
• W：信道带宽（单位Hz） 
• S： 信道内所传信号的平均功率 
• N： 信道内部高斯噪声功率 
• 香农公式的结论： 
• 1信道的带宽或信道的信噪比(S/N)越大，信息极限传输速率越高，若W或S/N没有上限，则C没有上限（实际不可能） 
• 2只要信息传输速率低于信道极限信息传输速率，则一定可以找到方法确保数据的无差错传输 实际上信道所能达到的速率比香农公式计算出的低不少
• 例子：噪声越大，最大传输速率越小。以前上课时候，下课铃响了，老师说话就会变慢一点，我们更容易听清。S就相当于老师加大音量，N就是铃声音量。
• 例子：无线网的衰减：路由器和计算机在相同房间，计算机速率150M，计算机搬到隔壁，速率只剩下100M，因为隔了一道墙，要确保可靠传输就要降低速率，墙可以理解为噪声。 
• 两者适用范围：
• 

2.6.3 这些条件固定下如何提高传输速率

• 如果铃声音量变固定，老师声音音量固定，W（海豚栗子，我们接收的频率范围，不确定对不对）固定，我们能提高信息的传输速率的方法就是 让老师每个字里包含的信息量增大，这里不太现实，但是是这个意思。计算机中就是让每一个码元携带更多比特的信息量。1码元代表3bit，那么就是8种信息，1码元代表4bit，那就是16种信息，这样传送速率就是原来的16倍了

三 物理层下的传输媒体

导向传输媒体：电磁波沿着固体介质传播

无屏蔽双绞线UTP 没有屏蔽层 里面是几股绝缘层，里面是两个铜线相缠绕，所以叫双绞线

屏蔽双绞线STP 在UTP里加个屏蔽层

 

同轴电缆 （结构和有线电视的电线一样）

• –50欧姆同轴电缆用于数字传输，多用于基带传输，也叫基带同轴电缆
• –75欧姆同轴电缆用于模拟传输，即宽带同轴电缆

光缆 
单模光纤 
多模光纤

 

非导向传输媒体（无线传输）：无线传输所使用的频段很广。 
短波通信主要是靠电离层的反射，但短波信道的通信质量较差。 
微波在空间主要是直线传播。

• 地面微波接力通信
• 卫星通信

四 信道复用技术

目的：多用户同时传输，不会相互影响。提高信道利用率 

 

频分复用 FDM(Frequency Division Multiplexing) 

用户在分配到一定的频带后，在通信过程中自始至终都占用这个频带。 
频分复用的所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源（请注意，这里的“带宽”是频率带宽而不是数据的发送速率）。 
解释：特定的用户使用特定的频率波段，传输时采用不同频率的波段进行调制和解调，已达到区分其他数据的目的 

类比：大马路上几条道路 都可以通车

缺点：因为数据随时随地都在更新和传输，如果这个时候只有张三家放了一个数据，其他车都没有，就是一台很空的车，很浪费

时分复用TDM(Time Division Multiplexing) 

时分复用则是将时间划分为一段段等长的时分复用帧（TDM 帧）。每一个时分复用的用户在每一个 TDM 帧中占用固定序号的时隙。 每一个用户所占用的时隙是周期性地出现（其周期就是 TDM 帧的长度）。 TDM 信号也称为等时(isochronous)信号。 时分复用的所有用户是在不同的时间占用同样的频带宽度。 

时分复用可能会造成线路资源的浪费 ： 
使用时分复用系统传送计算机数据时，由于计算机数据的突发性质，用户对分配到的子信道的利用率一般是不高的。 

按照约定好的时间把数据放上传送带，到最后再按约定好的时间取下。7：00我放在车上的货一定是送往赵四家的，8：0的货一定是送往李六家的，这样也是造成浪费 

统计时分复用 STDM(Statistic TDM) 

与时分复用类似，只不过每次发送时标记是哪个用户发出的，解析时按标记解析。可以避免线路资源的浪费 

就是在货物上写明是寄给谁家的

波分复用 WDM(Wavelength Division Multiplexing) 
波分复用就是光的频分复用。 
码分复用 CDM(Code Division Multiplexing) 
常用的名词是码分多址 CDMA (Code Division Multiple Access)。 
各用户使用经过特殊挑选的不同码型，因此彼此不会造成干扰。这种系统发送的信号有很强的抗干扰能力，其频谱类似于白噪声，不易被敌人发现。 每一个比特时间划分为 m 个短的间隔，称为码片(chip)。

 

五 数字传输系统

• 宽带接入技术 特指网民如何接入Internet，必须先连接到某个ISP，以便获得IP地址。
• 两类 有线和无线
• ADSL技术 非对称数字用户线 用数字技术对现有的模拟电话用户线进行改造 使它能够承载宽带数字业务 通过电话线，分离器接着电话和猫 猫再接计算机
• DMT调制技术

 

 

部分引用：洌冰计算机网络基础（韩立刚视频笔记）第二章 物理层  https://blog.youkuaiyun.com/u011109881/article/details/80156063